Nieuw vlamaerosolsysteem blinkt uit in het creëren van nanodeeltjes

Sinds de prehistorie heeft de mens vuur gebruikt om grondstoffen in waardevolle goederen om te zetten. Voorbeelden hiervan zijn het gebruik van vlammen om klei in aardewerk te veranderen, en silica in glas.

Deze praktijk gaat vandaag de dag nog steeds door, waarbij de industrie een zeer geavanceerde versie van de techniek toepast – vlamaërosolsynthese – om nanodeeltjes te creëren die dienen als sleutelingrediënten in alles, van inkten tot luchtfilters.

Hoewel effectief, is de synthese van vlamaerosolen niet zonder beperkingen, inclusief uitdagingen bij het manipuleren van de vlam, het bereiken van nauwkeurige controle over de grootte en distributie van nanodeeltjes, en de kosten.

Twee nieuwe onderzoeksstudies, mede geleid door ingenieurs van de Universiteit van Buffalo, pakken deze tekortkomingen aan. De onderzoeken concentreren zich op een uniek vlamaerosolsysteem dat de ingenieurs hebben ontwikkeld en dat, naar eigen zeggen, veelzijdig, gebruiksvriendelijk en kosteneffectief is.

De meest recente studiegepubliceerd op 30 oktober Natuurcommunicatiebeschrijft hoe het onderzoeksteam het systeem gebruikte om metaal-organische raamwerken (MOF’s) te creëren, dit zijn poreuze nanomaterialen die op verschillende gebieden worden gebruikt, waaronder energie, het milieu, en gezondheid en geneeskunde.

“Dit is, voor zover wij weten, de eerste keer dat vlamaërosoltechnologie wordt toegepast om MOF’s te creëren”, zegt een van de hoofdauteurs van het onderzoek, Mark Swihart, Ph.D., SUNY Distinguished Professor en voorzitter van de afdeling van Chemische en Biologische Technologie aan de UB School of Engineering and Applied Sciences.

De meeste MOF’s worden gecreëerd via een vloeibare chemische reactie. Hoewel effectief, vooral bij het produceren van materialen met een hoge mate van kristalliniteit, kan de werkwijze tijdrovend en duur zijn.

Het vlamaerosolsysteem heeft daarentegen het potentieel om veel sneller (en goedkoper) te zijn, omdat het slechts één stap vereist. Hoewel de MOF’s die het produceert een lagere porositeit hebben dan conventionele MOF’s, kunnen hun unieke eigenschappen – waaronder kleine korrelgrootte, geordende structuren op korte afstand en hoge thermische stabiliteit – leiden tot nieuwe materialen en commerciële toepassingen, zeggen onderzoekers.

Ten slotte omzeilt het vlamaërosolsysteem thermodynamische barrières. Dit maakt het mogelijk om twee metalen elementen te mengen tot één enkele MOF met eigenschappen die ideaal zijn voor katalyse, detectie, energieopslag en andere velden, zeggen onderzoekers.

De eerdere studiegepubliceerd op 27 augustus Materierapporteert over het potentieel van het vlamaërosolsysteem voor het creëren van keramische nanomaterialen met een hoge entropie. Deze zeer stabiele nanomaterialen zijn gemaakt van meerdere elementen – meestal vijf of meer in vrijwel gelijke verhoudingen. Ze hebben unieke eigenschappen die ze, net als MOF’s, ideaal maken voor energieopslag, katalyse, detectie en andere toepassingen.

In experimenten met het vlamaerosolsysteem demonstreerde het onderzoeksteam de flexibiliteit van de methode door nanodeeltjes te creëren die tot 22 elementen bevatten. Als toepassing demonstreerden ze een katalysator voor de reductie van koolstofdioxide die een indrukwekkende sterkte en duurzaamheid vertoonde en die van conventionele katalysatoren overtrof.

“De vlamreactor is een schaalbare, eenstaps- en ongelooflijk veelzijdige manier om nanokeramiek met hoge entropie en andere materialen te fabriceren”, zegt Swihart, tevens SUNY Empire Innovation Professor en faculteitslid van het RENEW Institute van UB.